数电课程设计报告
1.熟悉各种元件及芯片的作用，并能将其运用到实际的电路中。
2.熟悉面包板的用法，能够熟练的进行连线。
3.通过此次的设计，加深对数电这门课的理解。
4.提咼解决实际问题的能力。
二、设计任务和要求
1.测量范围为1-999nF。
2.用三位LED数码管显示测试结果。
3.具有超量程显示。
4.能自动地进行连续测量。测量周期为4秒，测量结果保持2秒左右。
5.提供的主要器材：
(1)NE555 定时器、MC14553 三位BCD 计数器、CD4511BCD 七
段显示译码器、CD4001四二输入或非门各一块。
(2)共阴结构LED数码管、三极管、二极管、阻容元件等。
(3)面包板、导线。
(4)直流稳压电源。
(5)调试用标准电容。
三、简易数显式电容计的组成和工作原理
1、工作原理：对于一个容量不变的电容只要外部的充电电路参数被确定下来，则充放电的时间就被唯一确定下来，在这里我们可以应用电容的充电时间来控制计数器计数。既将电容的充电时间作为门控信号，将基准
脉冲发生器提供的基准脉冲的宽度作为测量的模
在被测电容充电时间内，被测电容开始充电时将闸门打开，充电结束时将闸门关闭。在闸门开放时间内，计数器所计得的基本脉冲数乘以模，既为电容的容量。如果改变充放电时间的数量级就可以改变测量电容的量程。计数器可用十进制加法计数器构成，然后将计数器的输出通过译码电路显示出来。
将比较器的输出作为与门的控制信号，则在0到to的这段时间内与门开门，已知频率fo则的信号可以通过与门而进入计数器行计数。我们可以应用555单稳态触发器的暂态持续时间来控制计数器计数。
数显示电容计具有测量速度快，读数方便等优点，正在逐步取代传统的电容测试方法。
图3-1简易数显式电容计的组成框图
2、组成部分：
简易数显示电容计的框图如图3-1所示，它由C-T转换电路、
振荡器、控制电路、译码显示电路和超量程指示电路等六部分组成。
1.C-T转换电路的作用是把被测电容的电容量Cx转换成脉冲信号，使脉冲
信号的宽度Tx正比于C%单稳态触发器有定时时间正比于定时电容C的关系，因此可以用单稳态触发器实现此功能。
2.振荡器产生矩形脉冲，让计数器在C-T转换期间计数。如果Cx 大，则Tx
大，那么在Tx期间计数器计的脉冲数就多，而计到的脉冲数多，代表Cx 就大。只要调整好振荡器的振荡频率，就可以使计数器计到的脉冲数（用十进制表示）就是被测电容的
nF数。
3.计数器是三位十进制计数器。
4.显示译码电路是把计数器计到的脉冲数用十进制数显示出来。
5.超量程指示电路的作用是当计数器计到的脉冲数超过999时，产生一个指示信号，即代表被测电容的电容量超过了999nF,
此时显示器的读数已不是Cx的值。
6 .控制电路的作用是用来产生控制各部分电路正常工作的时序信号。
7.设计时采用CMO集成电路，电源电压用+5乂
四、单元电路的设计
1.C-T转换电路的设计
在单稳态触发器中，定时时间与电容成正比，例如，在用
555定时器构成的单稳态触发器中，有
tw=1.1RC
式中R和C为定时电阻、电容。
因此，在这里C-T转换电路采用单稳态触发器。用555定时器构成的单稳态电路如下图1,波形如图2所示。图中Tx=1.1RC%
图1
在电路中加入了由Cr 和Rr 组成的微分电路，这样单稳态电路
只要靠输入V II 的下降沿触发，定时时间与 V I 的低电平宽度无关。
考虑到定时精度和测量速度，设定测量范围内 Tx 的时间为
0.1ms~0.1s,即取 R=91kQ 。图 3
T=i.i*9i*i0A 3*I 0A -9?10A -4s
也就是说振荡器的振荡频率约为10kHz 。
根据振荡器周期的计算公式，先取 C=0.01卩F 。那么
Ri+2R=14.3k Q ,取 Ri=6.8 kQ ，贝卩 F2应为 3.75k Q 。可用 4.7
2.多谐振荡器的设计
多谐振荡器也用555 定
时器成，电路如图3 所示。
多谐振荡器的振荡 周期为： T=0.7 (R+2F2) C,在 Tx 内计数器计到的脉冲数 N=Tx/T,即有
N=1.1RCxH 。 根据设计要求，N 就是被测电容Cx 的nF 数， 则有
Vcc R2 5k 103(0 Olu) 7 8
4R O DI 引 Vcc C
6 TH
NE555
3
2 V Q
GND Vco
1
5
:OiiDOlui
R1
6 8k 1 C2
kQ 的电位器作为R2来调整电容计的测量精度
3. 计数电路的设计
(1) 计数器的选用。
计数器采用MC14553 MC14553是三位BCD 加法计数器，集成电路的 引脚图如图4所示
(2) MC14553I 成
MC14553集成电路由三个同步级联的下降沿触发的 BCD 计数器、
三个锁存器以及分配锁存器的多路传输器组成。此外，还有时钟输 入端的整形电路，分配多路传输器的时序扫描电路和振荡器电路， 以及用于显示控制的数据选择输出 DS 、DS2、DS3组成
(3) 计数器电路的连接
根据C-T 转换电路在转换期间的输出时高电平，以及要用来 控制计数器
计数。将C-T 转换电路的输出加到“ CL 端”，计数脉 冲从“ INH 端引入。
C1A
CB QQ CLOCK
01 LE 02 03
OR OfS
DSl
5S2 MR D53
100^—
11 O — 130— V QQ - PIN 16
V ss z PIN 8
4.显示译码电路的设计
(1)显示译码器的选用
显示译码器选用CD4511 CD4511是BCDfc段锁存/译码器/驱
nnnnrinr-Ln 161614131211109 vnrYTnYaYbYCYdYC
■ ■II??|??■?
CXD4511MC CC45HEC 动器，其引脚排列图如图5所示。
图5
CD451倶有内部抑制非BCD码输入的电路，当输入为非BCD 码时，译码器的七个输出端全为“ 0”电平，显示器暗。
在MC1451的输入端有四位锁存器，LE为选通端，当LE为“0”电平时允许BCE码输入，当LE为“ 1”电平时锁存。
MC1451每段的输出驱动电流可达25mA因此在驱动LED数码管时要加限流电阻。
(2)显示译码电路
计数和译码显示电路如图6所示，其中显示译码电路为扫描显
示电路
(3) 限流电阻的选取
设图7中三极管工作在放大区，/V C E =2V ，则
R= (6-2-2)/10=200 Q
FB= (2-0.7 ) /0.5=2.6k Q 图 7
三极管的B=10/0.5=20。
实际的显示译码电路中，一个三 极管要驱
动一只数码管，即要驱动七 只发光二极管，而
且在扫描显示中， 数码管的每段电流要大一
些。设每段 电流为15mA 基极电流由MC1455
啲 输出驱动电流限制，设为1.3mA,贝S 可算
得R=133Q ，取
130Q, RB=1Q, B =15*7/1.3=80，则选用的三极管的 B 值要大 于 80,
I 图6
CM大于105 mA
5.超量程指示电路的设计
超量程指示电路如图8所示
CD4001
图8
图中由或非门构成的是一个基本的RS触发器。当MC1455在计数到1000个脉冲时，在“ OF端会输出一个正脉冲，RS触发器的Q置“ 1”，LED灯亮，表示被测电容已超过999nF,这时的显示器读数已不再是被测电容的容量。在复位信号的作用下，Q端置
0,等待下一次测量。
6.控制电路的设计
根据数字式电容计的工作原理，控制电路实际上是一低频信号发生器，振荡周期为4秒，它的精度和稳定度要求不高，因此可用图9所示电路来构成
XT 节l 阮
(to)CD4001-4A(8)
(to)MC14553(13)
图9 振荡电路中在RS=R 的条件下，振荡周期的估算式为
T ?1.8RC
即有
1.8RC=4s
取C=0.1卩F ,贝岷取22MQ 。
由于MC1453在高电平清零时，位选择输出端都 DS~DS 为
1, 将使显示器消隐。如果清零信号的高电平持续时间很长，会看 到消隐现象。为避免出现这种现象，控制电路中通过 Cr 和Rr 组成 的微分电路把清零信号加到计数器清零端。这样，计数器只是靠清 零信号的上升沿清零，即使清零的高电平持续很短，靠人眼的视觉 惰性，就不会察觉到有消隐现象。
五、安装与调试
1.按照设计好的电路图，在面包板上连接好线路，如图
R5
22M h 2 n 6
laroeij M 07 R6 22M lM(O.lu)
R7 io<
2.调试时先检测电源，正常后再检测多谐振荡电路和示波器电路,
接着检查控制电路，然后是C-T转换电路，最后是计数和显示译码电
路。
3.在Cx处接入nF级校准电容，调节R2使数码管显示的读数与校准电容的
容量一致。
4.接上若干标称值在量程范围内的电容进行测量，并记录测量结果。再借入
若干标称值不在量程范围内的大电容和小电容，注意观察电容计的工作情况。
六、有关简易数字电容计的思考题
1、数字万用表中检测电容的工作原理
电容检测时，利用万用表能直观准确地读出电容阻值。数字万用表有两大部分电路组成：数模转换电路与电容检测电路。数字万用表一般都有专用集成块，中低档万用表常用集成块L7106制成，只要完
成将模拟量转换成数字量，其内部为积分型A/D转换器，用来将被测的模拟电
压转换成四位BCD数字吗，相应的七段数码管和各段电平的a~g同时输出，驱动液晶数码管显示出被测电压。电容测量电路的作用是：依据被测电容容量产生一个模拟电压，容量大则产生电压值高，容值量小则产生电压值小。测量电容时，此电压送入模数转换电路经模数变换得出被测电容容量值。
2、MC14553勺3脚和4脚间接的电容C1取大了，数码管的显示会出现的现象。
MC14553勺3脚和4脚间接的电容C1取大了，数码管的显示会出现闪烁。因为震荡器提供多路数据选择的低频扫描时间脉冲，振荡器的震荡频率取决于C1的大小。
3、为什么动态显示电路电路中七段显示译码器每段电流要大些
所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器，对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器在工作点亮，但是利用人眼的的视觉暂留效应和发光二极管灭时的余辉效应，看到的却是多个字符同时显示。显示器亮度与点亮使得导通电流有关。调整电流和时间参烽，可实现亮度较高较稳定的显示。所以电流要大些。
4、在单稳态电路输入端和MC14553青零输入端各有一个微分电路，它们各自的作用。
单稳态电路输入端的由Cr与Rr组成的微分电路的作用是：使得单稳态电
路只要靠输入VII的下降沿触发，定时时间与VII的低电
平宽度无关。
MC14553青零输入端电路输入端的由Cr与Rr组成的微分电路的作用由于MC1453在高电平清零时，位选择输出端都DS1~DS为1,将使显示器消隐。如果清零信号的高电平持续时间很长，会看到消隐现象。为避免出现这种现象，控制电路中通过Cr和Rr组成的微分电路把清零信号加到计数器清零端。这样，计数器只是靠清零信号的上升沿清零，即使清零的高电平持续很短，靠人眼的视觉惰性，就不会察觉到有消隐现象。：
5、在超量程指示电路中，或非门的作用
由或非门构成的是一个基本的RS触发器。当MC1455在计数到1000个脉冲时，在“ OF端会输出一个正脉冲，RS触发器的Q置
“ 1”，LED灯亮，表示被测电容已超过999nF,这时的显示器读数已不再是被测电容的容量。在复位信号的作用下，Q端置0,等待下一次测量。
6、在超量程指示电路中，若用PNP则电路怎么连接
在如图所示的超量程指示电路中，发光二极管正负极交换，把介
入的电源VCC改为-VCC。
CD4001
7、为什么选择用PNP乍为位选择开关
开关三极管可以用很小的电流，控制大电流的通断，小功率开关管可以用在电源电路、驱动电路、开关电路等，可用于低频功率放大电路、电流调整等。
8若微分电路的阻值取得很小（如只有1k欧姆），会出现什么情况
根据数字式电容计的工作原理，控制电路实际上是一低频信号发生器，振荡周期为4秒，若R的取值小，则RC的乘积，即时间常数很小，电容器c会被迅速充电，频率很高。
七、电路的进一步完善和改进：
1在本设计的基础上，设计两通道进行选择，以减小误差：1u-20u 一个通道，21u-99u未另一个通道。
2可增加小数点的显示，改变设计的参数即可完成要求；
3可增大该电容测试仪的检测范围。
八、总结与体会
本次课程设计电路组成的元器件比较多，需要连接的线很多。所以在连线前我们做了细致的规划。我们首先将元器件按电路图分成五部分，确定了大体位置后，对照我们事先画好的整体的电路原理图，开始接线。我们按照一部分一部分的连接方式，边接线边检错，最后将五部分电路连接起来。
第二天我们到实验室开始调试。一开始并不怎么顺利，一次性没有出现正确的显示结果。在老师的指导下，我们开始逐步检查各个电路。我们首先检查计数和显示译码电路，发现并没有显示出老师所说的三个零。我们细心地将电检查一遍，发现一根地线接错了，我们及时调整过来，再次检测，发现译码管出现了两个零，还有一个译码管有两根晶体管的显示比较暗。我们反复检查电
路的连接，发现电路连接正确。我们再次进一步检测，我们发现其中一个显示管已损坏。我们换了一个显示管后，计数和显示译码电路开始显示正常。接下来我们开始C-T转换电路的检测，发现电路正常。紧接着我们开始多谐振荡器电路的检查，一开始用示波器检验，它并没有出现振荡波形。经过我们反反复复检查，通过排查电路，我们终于找到一个电路连线错误。及时纠正后，我们接好电源、地线，把电位器调到合适的阻值，电路便正常工作了，接着老师检测了我们设计的电路，超量程显示也没有问题，达到了设计目标。
通过这次课程设计，我们加深了对各种元件及芯片的理解，也更进一步的熟悉了面包板的使用方法。这次课程设计锻炼了我们的实际应用能力，培养了我们的合作精神及分析解决问题的能力。同时我们对555定时器，CD4011C 有了进一步的了解，提高了对电子制作的兴趣，明显提高了我们的动脑思考和动手制作的能力，同时还让我清楚地意识到实践与理论之间的差距。我们在掌握理论的基础上，在连接电路时还需要很强的逻辑思维还有极好的耐心。有时候就是很简单的一个小错误就使整个实验无法出预期的结果。此外团结合作的重要性也在此次课设中体现出来，往往自己的错误自己是检查不出来的。两个人相互配合，错误才得以被找出解决。
同时在实验中，我明白了，无论做任何事情，都要具有良好的专业素质，遇事不要浮躁，做事要严肃认真细致。作为通信专业的学生，我们要养成严谨的工作态度和科学做法，容不得半点马虎，一个原件的接错就可能导致这个设计的失败。
通过这次课程设计，我更好地了解了自己的不足，了解了一些课程实际应注意的方方面面，这成为我以后学习道路上一笔宝贵的财富。总之在本次
课程设计中，我学到了很多知识，积累了很多经验和教训。我会吸取实验过程中得到的东西，运用到以后的学习当中去。
附录：元件清单
1.电阻R 200Q 8个
2.7K Q 4 个
6.8K Q 1 个
10KQ 1 个
91KQ 2 个
22MQ 2 个
电位器5 KQ
2 .电容C 10
3 6个
104 1 个
474 1 个
3.LED 1 个
4.MC14553 1 个
5.MC14511 1 个
6.CD4001 1 个
7.NE555 2 个
8.共阴七段显示器CC-5101AG 3个
9.PNP三极管8550 4个